He-Ne激光器的模式测量.ppt

实验二十 HE-NE激光器的模式测量 近代物理实验 郑州大学物理实验中心 实验背景 气体激光器是以气体或金属蒸气作为工作物质，根据气体工作物质的不同又可以将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子，激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间，采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和镉、铜、锰、锌、铅等金属原子蒸气，原子激光器的典型代表就是He-Ne 激光器。分子激光器当中产生激光作用的是未电离的气体分子，激光跃迁发生在气体分子不同的振动-转动能级之间，其典型代表是CO2激光器；分子激光器中还有一类叫准分子激光器，所谓准分子是一种在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子（寿命很短）的不稳定缔合物，激光跃迁产生于其束缚态和自由态之间，其典型代表为XeF*准分子激光器。离子激光器中产生激光作用的是已电离的气体分子，激光跃迁主要发生在气体离子的不同激发态之间，其典型代表为Ar+激光器。气体激光器广泛应用于工农业生产、国防、科研、医学等领域。 1961年第一台气体激光器——He-Ne激光器问世。He-Ne激光器是一种典型的惰性气体激光器，Ne为工作物质，He为辅助气体。He-Ne 激光器输出连续光，主要工作波段在可见光到近红外区域，其中最常用的工作波长为632.8nm。He-Ne 激光器输出光束质量很高，表现为单色性好和方向性好，由于增益低其输出功率一般为毫瓦量级，器件结构简单、造价低廉。目前He-Ne 激光器已经广泛应用于准直、精密测量、信息处理、医疗、照排印刷等领域。 实验目的 1. 了解He-Ne激光器的基本结构和基本原理。 2. 了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。 3. 对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次。 4. 观察激光器的频率漂移及跳模现象，了解其影响因素，观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。 实验原理 He-Ne 激光器结构示意图 He-Ne激光器的工作原理 He-Ne激光器中的激光跃迁产生于Ne原子的不同激发态之间，He原子为辅助气体，其作用是提高Ne原子的泵浦速率。 He原子和Ne原子的部分能级图 Ne原子帕邢符号与能级关系 Ne原子激光上能级有三种激发过程： 1. 共振能量转移激发。由于He原子的两个亚稳态能级（21s0和23s1）与Ne原子的3s和2s能级十分接近，使粒子之间很容易发生共振能量转移，转移几率高达95%以上，其转移过程为： He（11s0）+e（快）→He*（21s0）+e（慢） He（11s0）+e（快）→He*（23s1）+e（慢） He*（21s0）+Ne（1s0）→Ne*（3s2）+He（11s0）+0.048eV He*（23s1）+Ne（1s0）→Ne*（2s2）+He（11s0）+0.039eV 其中，e（快）表示碰撞前的快速电子，e（慢）表示碰撞后的慢速电子。 2. 电子直接碰撞激发。该过程为： Ne（1s0）+e（快）→Ne*（2s2）+e（慢） Ne（1s0）+e（快）→Ne*（3s2）+e（慢） 与第一种激发过程相比，第二种激发过程的激发速率很小。研究结果表明，He-Ne激光器反转粒子数的建立主要取决于共振能量转移激发，其贡献约为电子直接碰撞激发的60~80倍。 3.串级跃迁。Ne原子与电子碰撞被激发到更高的能态，然后再跃迁至2s和3s能态，在三种激发过程中此过程贡献最小。 激光器模的形成 激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生并在腔内传播，而且被增益介质逐渐增强放大 粒子数反转分布 被传播的光绝不是单一频率的（通常所谓某一波长而已），因能级有一定宽度，加之粒子在谐振腔内运动受诸多因素的影响，实际上激光输出的光谱线宽度是由自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽叠加而成 光的增益曲线 纵模与纵模间隔 常见的横模光斑 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，已成为激光技术中一种重要的测量设备，本实验正是通过它将彼此频率差异甚小（几十至几百MHz）,用眼睛和一般光谱仪器的分不清的各个不同纵模、不同横模展现成频谱图来进行观测。 共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔，由两块球形凹面反射镜构成共焦腔,即两块镜的曲率半径和腔长相等，R1=R2=l。反射镜镀有高反射膜，两块镜中的一块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变的压电陶瓷环上 当有某一